新生豬缺氧缺血性腦病擴(kuò)散峰度成像的時(shí)間進(jìn)程變化

何曉寧，肖娟，田娟，吳鵬，韓雨璇，楊超

大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院放射科，遼寧大連 116000； *通訊作者 楊超 dryangchao@163.com

MRI 能有效診斷新生兒缺氧缺血性腦病，并為患兒制訂個(gè)體化治療方案提供極大的幫助[1]，尤其是擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）已成為診斷急性期缺氧缺血性腦病的必要手段[2]，但DWI 是一種各向同性擴(kuò)散模型，它假設(shè)水分子在各個(gè)方向的擴(kuò)散情況均相同。這種模型過于理想化，不足以反映腦組織內(nèi)真實(shí)的水分子擴(kuò)散情況。擴(kuò)散張量成像（DTI）在DWI 基礎(chǔ)上引入擴(kuò)散張量的概念，可以準(zhǔn)確顯示缺氧缺血病灶水分子擴(kuò)散的各向異性[3]。然而DTI 和DWI 均以水分子擴(kuò)散滿足高斯分布為理論基礎(chǔ)，不符合復(fù)雜而真實(shí)的腦組織擴(kuò)散情況[4-5]。擴(kuò)散峰度成像（DKI）是DTI 技術(shù)的延伸，它以水分子擴(kuò)散呈非高斯分布為基礎(chǔ)，更接近于真實(shí)的組織水分子擴(kuò)散情況，且采用多個(gè)b 值，可更敏感地反映腦組織微結(jié)構(gòu)的變化[3,6]，而且能夠較DTI 更好地評(píng)價(jià)交叉走行的神經(jīng)纖維區(qū)域的病變[7]。DKI 在缺血性卒中的應(yīng)用研究已取得初步進(jìn)展，在急性期，病灶DKI 相關(guān)參數(shù)圖像呈不均勻高信號(hào)，體現(xiàn)了細(xì)胞毒性水腫引起的組織水分子擴(kuò)散受限不均一性[8]。目前DKI 在缺氧缺血性腦病中的應(yīng)用鮮有報(bào)道，理論上，缺氧缺血后發(fā)生細(xì)胞毒性水腫應(yīng)會(huì)引起DKI相關(guān)參數(shù)發(fā)生一定的變化。本研究擬評(píng)估新生豬缺氧缺血性腦病DKI 各參數(shù)值隨時(shí)間變化的規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 模型建立 選取足月新生健康約克種豬20 只，體重（2000±200）g，日齡3～5 d，雌雄不限，實(shí)驗(yàn)組15 只，對(duì)照組5 只。室溫保持在28～30℃，異氟烷吸入麻醉，頸正中縱切口長(zhǎng)約2.0 cm，分離雙側(cè)頸總動(dòng)脈，實(shí)驗(yàn)組用4.0 外科手術(shù)線結(jié)扎雙側(cè)頸總動(dòng)脈，縫合切口，然后將動(dòng)物放入缺氧箱內(nèi)，給予持續(xù)4%氧氣和96%氮?dú)獾幕旌蠚怏w2 L/min，使用RSS-5100 型測(cè)氧儀（上海雷磁儀器廠），維持氧濃度在4%，乏氧持續(xù)30 min。對(duì)照組僅做分離雙側(cè)頸總動(dòng)脈的假手術(shù)，不做頸總動(dòng)脈結(jié)扎。手術(shù)前3 h 及術(shù)后給予慶大霉素預(yù)防感染。按實(shí)際情況給予奶粉喂養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)組2 只動(dòng)物因乏氧過程中死亡，故實(shí)驗(yàn)組實(shí)際為13 只。

1.2 檢查方法 采用GE Discovery MR750w 3.0T MR掃描儀及32 通道頭線圈。使用自制木制動(dòng)物固定盒進(jìn)行動(dòng)物固定，俯臥位，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)給予吸入麻醉。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組于模型建立后3、6、9、12、16、24 h 各時(shí)間點(diǎn)分別行MRI 掃描。冠狀位掃描，掃描序列包括T1WI、T2WI、T2-FLAIR 及DKI。DKI 掃描采用單次激發(fā)自旋平面回波成像，TR 4500 ms，TE為最小值，擴(kuò)散敏感梯度方向?yàn)?0 個(gè)，b 值取0、1000、2000 s/mm2，矩陣128×128，視野220 mm×220 mm，層厚3.0 mm，層間距0.5 mm，激勵(lì)次數(shù)2，掃描時(shí)間14 min 45 s，可同時(shí)得到DKI 及DTI 相關(guān)參數(shù)圖像。

1.3 圖像后處理和分析 DKI 掃描后將圖像傳輸至后處理工作站，并以DICOM 格式導(dǎo)出，用functool軟件后處理，計(jì)算生成平均擴(kuò)散峰度（MK）、軸向擴(kuò)散峰度（Ka）、徑向擴(kuò)散峰度（Kr）、平均擴(kuò)散系數(shù)（MD）、軸向擴(kuò)散張量（Da）及垂直擴(kuò)散張量（Dr）圖。實(shí)驗(yàn)組選取MK 明顯高信號(hào)、MD 明顯低信號(hào)區(qū)域放置ROI，對(duì)照組在相應(yīng)層面同一部位放置ROI 進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)部位分別測(cè)量3 次，取平均值。分析不同時(shí)間點(diǎn)病灶各參數(shù)值隨時(shí)間變化的規(guī)律特點(diǎn)，并根據(jù)公式（1）計(jì)算各參數(shù)值的變化率。

1.4 病理學(xué)檢查 實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組在掃描完成后各取3 只豬行病理學(xué)檢查。將腦組織完整取出，參考掃描線，選取病灶處，以平行于視交叉方向用無菌刀將腦組織切成3 mm 厚切片，置于4%多聚甲醛溶液中固定。48 h 后取出，經(jīng)脫水、石蠟包埋、HE 染色后，用光學(xué)顯微鏡觀察腦組織病變。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 19.0 軟件，計(jì)量資料行正態(tài)分布檢驗(yàn)，以±s表示。實(shí)驗(yàn)組各時(shí)間點(diǎn)參數(shù)值變化及實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組參數(shù)值比較采用重復(fù)測(cè)量方差分析，P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 缺氧缺血后不同時(shí)間點(diǎn)DKI、DTI 相關(guān)參數(shù)值的變化 本研究中，所有實(shí)驗(yàn)組新生豬病灶范圍均位于皮層下白質(zhì)及側(cè)腦室旁。缺氧缺血后各時(shí)間點(diǎn)，病灶在DKI 相關(guān)參數(shù)圖像上呈不均勻高信號(hào)，DTI 相關(guān)參數(shù)圖像呈均勻低信號(hào)，病灶參數(shù)值與對(duì)照組相比，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組各時(shí)間點(diǎn)DKI、DTI 相關(guān)參數(shù)值見表1，各時(shí)間點(diǎn)參數(shù)圖像見圖1。DKI 相關(guān)參數(shù)值MK、Ka、Kr 變化率均大于DTI 相關(guān)參數(shù)值MD、Da、Dr 變化率，且軸向參數(shù)Ka、Da 的變化率均大于相應(yīng)的徑向參數(shù)Kr、Dr 變化率（圖2）。

2.2 DKI 及DTI 相關(guān)參數(shù)值隨時(shí)間變化趨勢(shì) 隨時(shí)間變化，DKI 相關(guān)參數(shù)值MK、Ka、Kr 逐漸增高，DTI 相關(guān)參數(shù)值MD、Da、Dr 逐漸減低。MK、MD值變化趨勢(shì)見圖3。

2.3 病理結(jié)果 實(shí)驗(yàn)組病理切片顯示神經(jīng)元腫脹，間質(zhì)水腫，大量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，周圍血管擴(kuò)張以及膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)節(jié)，并可見局灶壞死，對(duì)照組未見異常（圖4）。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組不同時(shí)間點(diǎn)DKI 及DTI 相關(guān)參數(shù)值比較（±s）

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組不同時(shí)間點(diǎn)DKI 及DTI 相關(guān)參數(shù)值比較（±s）

注：P 值（組間）為各時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間比較的P 值；P 值（時(shí)間）為實(shí)驗(yàn)組參數(shù)值不同時(shí)間點(diǎn)間比較的P 值；P 值（組別*時(shí)間）為時(shí)間與組別的交互作用，即不同時(shí)間點(diǎn)不同組之間比較的P 值。MK 為平均擴(kuò)散峰度；MD 為平均擴(kuò)散系數(shù)；Ka 為軸向擴(kuò)散峰度；Da 為軸向擴(kuò)散張量；Kr 為徑向擴(kuò)散峰度；Dr 為垂直擴(kuò)散張量

3 h 實(shí)驗(yàn)組（n=13） 1.27±0.09 1.21±0.08 1.19±0.10 1.20±0.08 1.36±0.09 1.05±0.11 對(duì)照組（n=5） 0.76±0.01 1.98±0.03 0.63±0.02 2.38±0.07 0.84±0.01 1.78±0.03 6 h 實(shí)驗(yàn)組（n=13） 1.39±0.09 1.03±0.10 1.26±0.08 1.15±0.12 1.46±0.06 0.93±0.09 1.77±0.03 9 h 實(shí)驗(yàn)組（n=13） 1.52±0.10 0.95±0.07 1.38±0.09 1.02±0.05 1.57±0.13 0.89±0.10 對(duì)照組（n=5） 0.75±0.02 1.98±0.08 0.66±0.03 2.35±0.03 0.83±0.02 1.80±0.03 對(duì)照組（n=5） 0.77±0.01 1.97±0.04 0.64±0.03 2.37±0.07 0.85±0.01 12 h 實(shí)驗(yàn)組（n=13） 1.59±0.13 0.92±0.10 1.49±0.09 0.99±0.08 1.68±0.19 0.84±0.11 1.79±0.02 16 h 實(shí)驗(yàn)組（n=13） 1.66±0.07 0.89±0.06 1.52±0.04 0.95±0.08 1.74±0.07 0.81±0.05 對(duì)照組（n=5） 0.78±0.01 1.96±0.02 0.64±0.02 2.34±0.04 0.83±0.02 1.78±0.03 對(duì)照組（n=5） 0.76±0.02 1.99±0.04 0.65±0.02 2.37±0.06 0.84±0.02 24 h 實(shí)驗(yàn)組（n=13） 1.78±0.09 0.82±0.04 1.55±0.07 0.93±0.07 1.92±0.06 0.76±0.05 1.76±0.02 P 值（組間） <0.001 <0.001 <0.001 0.002 <0.001 0.005 對(duì)照組（n=5） 0.75±0.02 1.95±0.04 0.63±0.02 2.37±0.03 0.86±0.02 0.002 P 值（組別*時(shí)間） <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 P 值（時(shí)間） <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001

圖2 不同時(shí)間點(diǎn)病灶各參數(shù)值百分比變化率

圖3 MK 及MD 值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖4 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組病理圖。A、B 分別為病理圖片顯示神經(jīng)元水腫，間質(zhì)水腫（黑箭），大量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，并可見膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)節(jié)，局部見壞死組織（白箭，HE，×100）；C 為對(duì)照組病理圖片，顯示神經(jīng)細(xì)胞排列整齊，形態(tài)規(guī)整，胞核大而圓（HE，×100）

3 討論

豬和人類的基因序列、染色體結(jié)構(gòu)具有很高的同源性，且各種解剖結(jié)構(gòu)相仿，故利用新生豬模型可以較好地模擬新生兒缺氧缺血性腦病[9]。目前對(duì)于早期缺氧缺血性腦病的影像診斷主要依賴于DWI[10]，但腦實(shí)質(zhì)不同部位的復(fù)雜程度不同，導(dǎo)致其水分子擴(kuò)散偏離高斯分布的程度也不同，因此，DWI 作為一種高度理想化的模型無法真實(shí)地評(píng)價(jià)腦組織病變區(qū)域的水分子擴(kuò)散情況，而DKI 除成像模型上的優(yōu)勢(shì)外，還具有多個(gè)參數(shù)圖像，使得其對(duì)新生兒缺氧缺血性腦病進(jìn)行精確診斷評(píng)估成為可能。

本研究中，病灶均分布于皮層下及側(cè)腦室旁，是因缺氧缺血早期血液優(yōu)先供給基底節(jié)區(qū)，導(dǎo)致血流重新分布，使得皮層下及側(cè)腦室旁較早出現(xiàn)病灶[11]。在急性期腦梗死的相關(guān)報(bào)道[12-13]中，病灶峰度系數(shù)K 值增高，表現(xiàn)為高信號(hào)；擴(kuò)散系數(shù)D 值則降低，表現(xiàn)為低信號(hào)，這是水分子擴(kuò)散受限的直觀表現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)，缺氧缺血后病灶MK、Ka 及Kr 圖像呈不均勻高信號(hào)，表明DKI 能夠反映缺氧缺血后細(xì)胞毒性水腫導(dǎo)致的水分子擴(kuò)散受限的不均一，而MD、Da、Dr 圖像呈均勻低信號(hào)，不能區(qū)分病灶內(nèi)水分子擴(kuò)散的差異。研究還發(fā)現(xiàn)，病灶區(qū)域DKI 相關(guān)參數(shù)值變化率均大于DTI 相關(guān)參數(shù)值，提示DKI 對(duì)于顯示病變腦組織微結(jié)構(gòu)改變較DTI 更敏感，與既往相關(guān)研究[14-15]一致。此外，病灶Ka、Da 的變化率大于Kr 和Dr，表明平行于神經(jīng)軸突方向上的水分子擴(kuò)散受限程度要大于垂直于軸突方向上的擴(kuò)散受限，可能提示軸索損傷先于髓鞘損傷或較髓鞘損傷更重[16]。既往研究[17-18]認(rèn)為發(fā)生細(xì)胞毒性水腫后，神經(jīng)軸突腫脹曲張，細(xì)胞內(nèi)線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器腫脹，導(dǎo)致軸突方向上水分子擴(kuò)散嚴(yán)重受限，這也是DKI 圖像上病灶呈不均勻高信號(hào)的病理基礎(chǔ)。

本研究顯示，隨著時(shí)間增加，病灶MK、Ka、Kr 值逐漸增加，而MD、Da、Dr 值呈逐漸降低的趨勢(shì)，提示病灶水分子擴(kuò)散受限程度逐漸加重，與腦梗死時(shí)間進(jìn)程的相關(guān)報(bào)道[19-20]相符。所不同的是，本研究所示參數(shù)值未出現(xiàn)假正?；内厔?shì)，表明在24 h 內(nèi)，缺氧缺血性腦水腫以細(xì)胞毒性水腫為主，尚未出現(xiàn)血管源性水腫或其不起主導(dǎo)作用。Spampinato 等[21]的臨床研究發(fā)現(xiàn)，缺血病灶MK 值、Ka 值越高，MD 值越低的患者，預(yù)后越差。最終病理結(jié)果顯示，神經(jīng)元水腫，炎癥反應(yīng)較重，且出現(xiàn)局灶壞死。因此，本研究中新生豬缺氧缺血病灶的相關(guān)參數(shù)值變化趨勢(shì)提示病情逐漸加重，可能與預(yù)后不良顯著相關(guān)，但尚需后續(xù)研究進(jìn)一步證實(shí)。

本研究存在一些局限性：①樣本數(shù)量較少，未獲取各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的病理圖片，從而無法從病理上證實(shí)細(xì)胞毒性水腫的程度逐漸加重。②因皮層下和側(cè)腦室旁的病灶多連在一起，故未分別評(píng)估。③研究時(shí)間僅限于24 h 內(nèi)，如果時(shí)間延長(zhǎng)，可能會(huì)觀察到病灶參數(shù)值發(fā)生假正常化現(xiàn)象。上述不足有待后期繼續(xù)研究完善。

總之，DKI 以其多b 值、多參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠衡量缺氧缺血腦組織中水分子擴(kuò)散偏離高斯分布的程度，比傳統(tǒng)的擴(kuò)散成像更全面、更敏感地反映病灶內(nèi)微結(jié)構(gòu)的改變，并準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)了缺氧缺血后各時(shí)間點(diǎn)的變化趨勢(shì)。然而，對(duì)于治療時(shí)間緊迫的新生兒缺氧缺血性腦病，常規(guī)DKI 所需掃描時(shí)間較長(zhǎng)，限制了其在臨床上的應(yīng)用，快速DKI 的適用性還有待研究。DKI 憑借其巨大的優(yōu)勢(shì)，在缺氧缺血性腦病中的應(yīng)用前景十分廣闊。